含LNG冷能利用的綜合能源系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度

　　摘要：為緩解冬季供暖期管道天然氣供氣緊張，液化天然氣(liquefiednaturalgas,LNG)氣化站已成為重要保供方式。本文提出一種以儲(chǔ)碳設(shè)備為樞紐，連接碳捕集電廠、電轉(zhuǎn)氣(powertogas，P2G)和LNG氣化站的綜合能源系統(tǒng)聯(lián)合低碳運(yùn)行模式，該模式中碳捕集系統(tǒng)的捕集碳量一部分供給P2G生成甲烷、另一部分利用LNG氣化冷能制備成液態(tài)CO和干冰，通過構(gòu)建聯(lián)合低碳運(yùn)行協(xié)調(diào)優(yōu)化機(jī)制，實(shí)現(xiàn)電氣綜合能源系統(tǒng)的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。經(jīng)改進(jìn)的IEEE14節(jié)點(diǎn)電力網(wǎng)絡(luò)和比利時(shí)20節(jié)點(diǎn)天然氣網(wǎng)絡(luò)耦合系統(tǒng)驗(yàn)證，本文所提電氣綜合能源系統(tǒng)運(yùn)行模式可在提高風(fēng)電消納、實(shí)現(xiàn)碳減排的同時(shí)保障用氣需求，提升系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性。

　　關(guān)鍵詞：電氣綜合能源系統(tǒng);碳捕集;NG冷能;電轉(zhuǎn)氣;風(fēng)電消納;經(jīng)濟(jì)調(diào)度

　　引言

　　城市能源互聯(lián)網(wǎng)[12]通過能源的合理配給和綜合利用有效推動(dòng)城市能源消費(fèi)的綠色低碳發(fā)展，是確保實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”的關(guān)鍵一環(huán)。電氣綜合能源系統(tǒng)(Integratedelectricitynaturalgassystem,IEGS)已成為目前城市能源互聯(lián)網(wǎng)中能源傳輸?shù)闹匾�載體[35]。但隨著燃?xì)獍l(fā)電和“煤改氣”等相關(guān)工程的實(shí)施，天然氣的消費(fèi)量強(qiáng)勁增長，北方冬夏天然氣峰谷差已達(dá)到10:1，冬季管道天然氣容量不足問題日益突出，加快建設(shè)供給側(cè)儲(chǔ)氣調(diào)峰設(shè)施和電轉(zhuǎn)氣設(shè)施，并開展有效的低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略研究，是提高IEGS新能源消納、緩解燃?xì)獠蛔愕挠行Т胧┲�一�?/p>

　　能源論文范例：新能源發(fā)展形勢分析

　　能量的儲(chǔ)存和管理[68]對于IEGS的運(yùn)行至關(guān)重要，針對含儲(chǔ)氣設(shè)施的IEGS優(yōu)化調(diào)度問題，文獻(xiàn)[9]將儲(chǔ)氣設(shè)備等效為暫態(tài)模型與不等式約束組成的數(shù)學(xué)模型，協(xié)同電轉(zhuǎn)氣設(shè)備提高系統(tǒng)消納風(fēng)電的能力;文獻(xiàn)[10]建立了由電解氫、燃料電池和儲(chǔ)氣罐構(gòu)成的電氣轉(zhuǎn)換儲(chǔ)能系統(tǒng)模型，并引入氣體損失比例系數(shù)來描述儲(chǔ)氣罐自耗能率;文獻(xiàn)[11]計(jì)及天然氣管網(wǎng)的慢動(dòng)態(tài)和暫態(tài)天然氣系統(tǒng)變量時(shí)段耦合的特性，提出了基于模型預(yù)測控制的多時(shí)間尺度優(yōu)化調(diào)度策略;文獻(xiàn)[12]計(jì)及天然氣網(wǎng)絡(luò)管存和儲(chǔ)氣罐約束，建立電氣互聯(lián)綜合能源系統(tǒng)削峰填谷模型，使系統(tǒng)凈負(fù)荷波動(dòng)最小并兼顧經(jīng)濟(jì)成本目標(biāo);文獻(xiàn)[13]建立了天然氣網(wǎng)絡(luò)中分布式儲(chǔ)氣罐模型，并將儲(chǔ)氣罐的運(yùn)行狀態(tài)體現(xiàn)在目標(biāo)函數(shù)的運(yùn)行費(fèi)用中。

　　文獻(xiàn)[14]建立了大量電動(dòng)汽車接入的多能源系統(tǒng)協(xié)調(diào)調(diào)度模型，考慮了儲(chǔ)氣設(shè)備的儲(chǔ)氣狀態(tài)對調(diào)度策略可持續(xù)性的影響;文獻(xiàn)[15]從電、熱、冷、氣四個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行園區(qū)綜合能源系統(tǒng)建模，并將這四種能源的儲(chǔ)能設(shè)備歸一化為統(tǒng)一的數(shù)學(xué)模型�，F(xiàn)有研究大部分集中在考慮儲(chǔ)氣罐以及天然氣管網(wǎng)管存模型的調(diào)度，但隨著季節(jié)峰谷差增大，液化天然氣(liquefiednaturalgas,LNG)氣化站已成為冬季天然氣的主要來源之一，亟需建立多氣源的儲(chǔ)氣模型和調(diào)度策略。電氣綜合能源系統(tǒng)CO排放問題也不容小覷，IEGS低碳調(diào)度問題[16]的研究呈現(xiàn)出明顯的上升趨勢。文獻(xiàn)[17]采用多目標(biāo)優(yōu)化方法處理多能源網(wǎng)絡(luò)中的碳排放問題;文獻(xiàn)[18]考慮到碳捕集設(shè)備在峰荷難以額定運(yùn)行，將電價(jià)型需求側(cè)響應(yīng)引入系統(tǒng);文獻(xiàn)[19]考慮碳交易機(jī)制，以綜合能源系統(tǒng)發(fā)電能源成本與碳交易成本之和最小為目標(biāo)函數(shù)。

　　文獻(xiàn)[20]提出一種改進(jìn)的粒子群算法以解決關(guān)于碳稅的經(jīng)濟(jì)調(diào)度問題;文獻(xiàn)[21]在系統(tǒng)互聯(lián)規(guī)劃模型的約束中引入了CO排放目標(biāo);文獻(xiàn)[22]基于碳捕集電廠能量轉(zhuǎn)移特性，提出一種含碳捕集電廠的多時(shí)間尺度協(xié)調(diào)調(diào)度策略;文獻(xiàn)[23]建立了碳捕集、電轉(zhuǎn)氣和負(fù)荷響應(yīng)的IEGS優(yōu)化調(diào)度策略�，F(xiàn)有的IEGS低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略主要考慮將碳捕集電廠與P2G設(shè)備相結(jié)合，通過P2G設(shè)備利用棄風(fēng)和捕集的CO合成甲烷實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)、環(huán)保效益的提升。隨著LNG貿(mào)易的快速發(fā)展，世界多國對LNG的冷能利用開展了深入研究，利用LNG冷能制備液態(tài)CO及干冰工藝流程簡單、可操作性強(qiáng)，并已通過成熟的工程應(yīng)用獲得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益[24]。

　　可見，隨著IEGS系統(tǒng)的發(fā)展和LNG氣化站的建立，碳捕集封存的CO除了可以供給P2G設(shè)施生成天然氣注入管網(wǎng)外，還可以利用LNG氣化所產(chǎn)生的冷能，制成液體CO和干冰[24]，提升IEGS系統(tǒng)的綜合能效。本文提出了含多種氣源的IEGS系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略，建立了含碳捕集電廠、電轉(zhuǎn)氣(powertogas，P2G)、LNG氣化站以碳源交互為基礎(chǔ)的聯(lián)合低碳運(yùn)行模式，利用LNG冷能制備液態(tài)CO及干冰提高能效。以改進(jìn)的IEEE14節(jié)點(diǎn)電力系統(tǒng)和比利時(shí)20節(jié)點(diǎn)天然氣系統(tǒng)組成的IEGS測試系統(tǒng)為例，驗(yàn)證了本文所提低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度策略的有效性，并對比分析了設(shè)備容量、LNG規(guī)模、負(fù)荷需求和成本變動(dòng)對低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度的影響。

　　電源包括風(fēng)電、傳統(tǒng)火電和天然氣機(jī)組;為降低系統(tǒng)碳排放水平，將傳統(tǒng)火電廠改造為碳捕集電廠;為緩解天然氣管道氣源容量不足，采用LNG氣化站作為補(bǔ)充氣源;同時(shí)，LNG氣化時(shí)可釋放高品質(zhì)冷能，增加冷能制備液體CO及干冰裝置;碳捕集電廠以儲(chǔ)碳設(shè)備為樞紐與LNG氣化站、P2G裝置實(shí)現(xiàn)聯(lián)合運(yùn)行，從而使得LNG氣化站可以通過制取液態(tài)CO及干冰提高冷能利用率，而P2G設(shè)備能夠?qū)�風(fēng)電轉(zhuǎn)換為天然氣，大大降低棄風(fēng)量;同時(shí)引入電氣可替代負(fù)荷響應(yīng)，提升IEGS系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。隨著LNG儲(chǔ)罐規(guī)模的增大，EGS系統(tǒng)的總成本和碳排放量均有明顯下降，這是因?yàn)長NG供氣不受上游氣源供應(yīng)及管道輸氣能力的影響，在補(bǔ)充管道氣源供氣缺額的同時(shí)增大了NG冷能利用技術(shù)對的消耗量。

　　此外，在NG氣化站可供氣量從120%Q增大到180%Q的過程中，系統(tǒng)的總成本開始上升，這是由于這部分多余氣量的供應(yīng)成本高于冷能利用降低的碳稅成本對系統(tǒng)總成本的影響。因此，根據(jù)管道供氣緊張程度建設(shè)合適規(guī)模的NG氣化站可以在提升天然氣供給能力的同時(shí)改善系統(tǒng)的運(yùn)行性能。

　　在系統(tǒng)電負(fù)荷量從10到的波動(dòng)過程中，燃?xì)鈾C(jī)組和碳捕集機(jī)組的出力增量較小，燃煤機(jī)組出力的變化幅度最大，且其在時(shí)、21時(shí)的出力變化最明顯。這是由于系統(tǒng)優(yōu)先供給非發(fā)電用氣負(fù)荷，因此，燃?xì)鈾C(jī)組的出力增量有限;而碳捕集機(jī)組因承擔(dān)系統(tǒng)基荷并受到出力上限的影響，其發(fā)電量的增幅同樣有限。在系統(tǒng)非發(fā)電用氣負(fù)荷量從10到的波動(dòng)過程中，燃煤機(jī)組的出力變化趨勢與其變化趨勢相同，燃?xì)鈾C(jī)組反之，二者的出力變化均在時(shí)、21時(shí)較明顯，而碳捕集機(jī)組的出力幾乎無變化。

　　結(jié)論

　　本文在考慮NG氣化站作為管道補(bǔ)充氣源進(jìn)行多氣源供氣的基礎(chǔ)上，提出含碳捕集電廠、P2G、LNG氣化站三者聯(lián)合運(yùn)行的靈活調(diào)度策略，證明此策略在提高城市綜合能源系統(tǒng)冬季供氣裕度的同時(shí)能實(shí)現(xiàn)IEGS的低碳經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，具體結(jié)論如下：

　　1)考慮碳捕集電廠、LNG氣化站和P2G協(xié)同優(yōu)化的IEGS較只含碳捕集電廠(基礎(chǔ)場景)的系統(tǒng)，碳稅成本、失氣負(fù)荷懲罰成本、棄風(fēng)成本、總成本分別降低為后者的66.5%、19%、2.88%、87.45%，同時(shí)其性能也優(yōu)于碳捕集電廠和P2G、LNG氣化站分別結(jié)合的運(yùn)行模式;證明本文所提的三者聯(lián)合運(yùn)行的調(diào)度策略對城市IEGS低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度的重要意義。

　　2)本文分別考慮不同容量P2G設(shè)備、不同規(guī)模LNG氣化站對系統(tǒng)運(yùn)行性能的影響，證明考慮建設(shè)合適容量的P2G設(shè)備和合理規(guī)模的LNG氣化站在IEGS低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度中的必要性。本文在碳捕集電廠、P2G、LNG氣化站三者聯(lián)合運(yùn)行的基礎(chǔ)上，研究電負(fù)荷、非發(fā)電用氣負(fù)荷變化時(shí)發(fā)電機(jī)組出力與系統(tǒng)運(yùn)行成本的變化;證明多氣源供氣充裕的情況下IEGS對非發(fā)電用氣負(fù)荷波動(dòng)的承受能力較強(qiáng)，進(jìn)一步提升系統(tǒng)運(yùn)行的低碳性和經(jīng)濟(jì)性。

　　3 )本文對影響IEGS系統(tǒng)低碳經(jīng)濟(jì)調(diào)度的因素包括發(fā)電機(jī)組的單位發(fā)電成本、單位碳稅成本、利用LNG冷能處理單位CO2的凈利潤等進(jìn)行敏感性分析;證明合理的定價(jià)機(jī)制可以提高系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。本文視NG氣價(jià)恒定，且未計(jì)及用戶側(cè)需求響應(yīng)對EGS運(yùn)行的影響，而實(shí)際上氣溫驟降、管道氣壓過低、NG工廠和接收站的氣量不足都會(huì)導(dǎo)致NG氣價(jià)的波動(dòng)，此外，需求側(cè)的用戶行為也會(huì)造成系統(tǒng)運(yùn)行的不確定性。在后續(xù)的研究中，還需要從多個(gè)角度考慮NG氣價(jià)的影響因素，并與用能端的不確定性結(jié)合，以進(jìn)一步保障EGS的多能互補(bǔ)性和低碳經(jīng)濟(jì)性。

　　參考文獻(xiàn)References

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　　作者：康麗虹，賈燕冰，田豐，馬紫嫣，任海泉

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